Сколько энергии можно получить от солнца и как работают солнечные панели.
Эпоха угля, газа и нефти в короткой перспективе подойдет к концу, будущее — за альтернативными источниками энергии. О необходимости зелёного перехода, то есть отказа от традиционной энергетики, говорят экологи, крупные компании и международные организации. Но почему все энергосистемы мира не состоят из ветряков, солнечных батарей и геотермальных станций? Разбираемся в этом вопросе.
Почему солнечную энергетику называют альтернативной.
Альтернативными, как правило, называют все возобновляемые источники энергии. В первую очередь те, которые не зависят от ископаемого топлива — нефти, газа и угля. Солнечная энергия возобновляема. Когда энергетическая компания сжигает для выработки электричества тонну угля, в мире становится на тонну угля меньше. Если же электричество вырабатывает солнечная батарея — солнца меньше не станет.
Сколько энергии можно получить от солнца.
Каждый квадратный метр на подходе к земной атмосфере получает в среднем 1361 Вт энергии. Это называют солнечной постоянной. Однако затем земная атмосфера рассеивает свет, и до поверхности в районе экватора «добираются» лишь 1020 Вт на квадратный метр. Это совсем немного, поэтому для получения электричества приёмники солнечного света приходится размещать на больших территориях. К примеру, площадь расположенного в Индии Солнечного парка Бхадла насчитывает 57 км² — по площади это как три Москвы в рамках Садового кольца. Максимальная мощность этой электростанции составляет 2 245 МВт, что сопоставимо с мощностью одного ядерного реактора. Станции сопоставимых размеров сейчас строят практически по всему миру, включая Россию. Так, в 2021 году стало известно, что Сбер финансирует проекты российской компании «Солар Системс» в сфере солнечной энергетики. В 2022 году Сбер также направил средства от «зелёных бондов» на рефинансирование строительства восьми солнечных электростанций.
Всегда ли выработка солнечной энергии требует огромных площадей.
И да, и нет. Получение солнечной энергии в промышленных масштабах требует огромных территорий — если речь идет о фотоэлектростанциях, то есть о панелях, улавливающих энергию солнечного света. Однако есть и другие типы солнечных электростанций. В тёплых странах на крышах домов можно часто увидеть баки с водой, нагреваемые солнцем. Это тоже элемент солнечной энергетики, не требующий больших вложений. По схожему принципу работают и так называемые башенные солнечные электростанции, площадь которых значительно меньше фотоэлектростанций. Такая станция состоит из башни, на вершине которой находится резервуар с водой. Вокруг находится множество подвижных зеркал, которые направляют солнечную энергию на башню, изменяя свой наклон в зависимости от положения солнца. Температура воды в баке достигает 700 градусов — как и в большинстве тепловых электростанций. После нагрева воды станция действует по той же схеме, что угольная, газовая или атомная: пар под давлением вращает турбину, вырабатывая ток. Ещё одна похожая технология — электростанция на параболоцилиндрических концентраторах: зеркала фокусируют солнечный свет на трубе с водой. А дальше работает всё та же схема: пар, турбина, ток.
Можно ли получить энергию ночью.
Есть и такая возможность. Для этого подходят солнечно-вакуумные электростанции. Они состоят из участка земли под стеклянной крышей и высокой башни. Нагретый воздух снизу устремляется наверх, раскручивая турбину. Чем выше башня — тем больше разница температур и больше вырабатывается энергии. Такая станция работает и ночью за счёт разогретой земли, хотя и с меньшей мощностью. Запатентован этот тип был еще в 1929 году во Франции, но первая станция появилась только в 1982 году в Мадриде. Высота её трубы составила 195 метров, а мощность — 50 кВт. Станции можно также оснащать тепловыми аккумуляторами, которые позволяют вырабатывать электричество от 3 до 8 часов после захода солнца.
Почему везде не строят такие башни.
В среднем КПД башенных станций составляет 20–30%. Это значит, что в электричество перерабатывается сравнительно немного энергии. КПД угольных или газотурбинных электростанций достигает 33–40%. Казалось бы, разница не столь велика, однако ключевой фактор — стоимость. Например, на калифорнийскую электростанцию Айвонпа мощностью 392 МВт, в строительстве которой участвовал Google, потратили $2,2 млрд, то есть $5 612 на 1 кВт установленной мощности. Это очень дорого: в пересчете на вырабатываемое электричество строительство газовой станции обходится в 18–36 раз дешевле.
А что насчёт солнечных панелей.
Сегодня это самый распространенный способ получать энергию от солнца. От настольного калькулятора до космической станции, от загородного дома до экологичного офисного здания — солнечные панели используют повсюду. Работают они очень просто: полупроводниковый элемент на базе кремния улавливает квант света, который создает перепад напряжения и электроток. Чтобы свет не отражался от поверхности, на неё наносят специальное покрытие. Теоретически панель стационарна и просто вырабатывает электричество, не имея механического износа. Однако есть нюансы. Базовый КПД такой установки совсем невелик — 16%, и то если она напрямую освещена солнцем. Пасмурные дни не позволяют вырабатывать значимого количества энергии, а ночью генерация останавливается. Большое значение имеет угол установки панели. Её можно стационарно расположить под оптимальным углом, а можно добавить механизм, который будет следить за солнцем либо с помощью подвижного параболического зеркала фокусировать солнечный свет на фотоэлементах. В этом случае КПД возрастает до 40%, но использование механизмов — это движущиеся детали, а значит, износ. Впрочем, все эти технологии постоянно развиваются и дешевеют. Стоимость выработки одного кВт из солнечного света постепенно снижается.
Зачем всё это нужно.
Есть два аргумента. Первый: невозобновляемые источники энергии скоро закончатся, а потребность в электричестве будет только расти. Второй — солнечные панели не издают никаких звуков и во время работы никак не загрязняют атмосферу. Их можно разместить на любой поверхности — даже на городских крышах. У этой идеи есть ещё один плюс — электричество вырабатывается рядом с потребителями, и ток не нужно передавать на сотни километров.
Солнечные башни также не загрязняют окружающую среду, но в центре города их не поставишь из-за огромной площади зеркал. Хотя на окраинах городов они могут стать популярным туристическим объектом.
Современные технологии не позволяют полностью заместить всю энергетику солнечной — зависимость от солнечного света делает все типы таких станций лишь вспомогательным инструментом. Однако они могут быть важной частью энергосистемы уже сейчас, покрывая ряд потребностей. В совокупности с другими типами возобновляемых источников энергии они вполне могут привести мир к зелёному переходу.
